JP2019502536A5

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Publication number: JP2019502536A5
Application number: JP2018527184A
Authority: JP
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2036-11-24

Description

流体動的剥離技術では、層状前駆体物質の大きな塊りは、一般に溶媒と呼ばれる分散液相に自由に浸漬され、液相の流れによって及ぼされる流体動的力の効果によって異なる位置および配向で繰り返し剥離される。これらの技術は、超音波処理技術と本質的に異なり、特にグラファイトから出発するグラフェンフレークの製造のための、工業規模での層状物質の二次元フレ−クの製造のために潜在的に効率的である。

非特許文献１の論文には、グラファイト、窒化ホウ素、二硫化モリブデンおよび二硫化タングステンのような層状物質の大きな塊りが単一の単原子層またはまだ二次元であるが原子の数層を含む構造に剥離されるグラフェンおよび同様の二次元物質の大規模生産を可能にするための流体動的技術が記載されている。

剥離プロセスの間に、液体媒体から処理される層状物質にエネルギを効果的に移動させて剥離させることができ、同時に基底面における破砕を最小化することが不可欠である。必要な剥離力を発生させるために液体ジェット微粉化技術（湿式ジェット粉砕）を使用することにより、前駆体物質の大きな塊り（数百マイクロメートルのオーダの寸法）からナノメートル寸法の二次元フレークを剥離し、物理的化学的性質および（光学的）電子的性質を損なうことなく、分散相に分散させることが可能になる。

有利なことに、本発明に係る方法は、剥離ステーションと、剥離ステーションの下流にある収集ステーションとを含む連続サイクル処理／製造ラインにおいて、完全に自動化することができ、それぞれ前駆体物質の分散物および（少なくとも部分的に）剥離された物質の分散物からなり、流体連通のための経路によって一緒に接続された、異なる大きな塊りの分散物上で並行して動作する。ステーション間の連通経路が閉鎖されている処理動作構成では、剥離ステーションは前駆体物質の対応する分散物に連続的なサイクルで湿式ジェット粉砕のプロセスを行い、並行して収集ステーションは（少なくとも部分的に）剥離された物質の対応する分散物を可能な遠心分離にかけ、沈殿により分散物相から分離するのが好都合である。ステーション間の連通経路が開放されている物質の供給／排出のための構成では、剥離ステーションには供給容器からの新しい前駆体物質が供給され、先に粉砕された量の分散物を収集ステーションに平行して送る。

図１は、所定の分散物相の層状物質の混合物を収容する供給チャンバ１２と、供給ダクト１６を介して供給チャンバ１２に接続された圧縮手段１４と、圧縮手段の下流に配置され、排出ダクト２０を介して供給チャンバ１２に接続された下流に位置する粉砕手段１８とを含む湿式ジェット粉砕装置１０を図式的に示す。圧縮手段は排出ダクト２０を介して供給チャンバ１２に接続されてリサイクル経路を形成する粉砕手段１８とを備え、圧縮手段は、第１の圧縮セクションを有するダクト内の供給チャンバから引き出された混合物の所定の大きな塊りを粉砕手段に向けて圧縮するように配置されている。熱交換器２２は、有利には、粉砕手段自体の下流の分散物の温度を制御するためにダクト２０上に存在してもよい。

物質を処理するステップの間に採用される第２の閉回路構成では、粉砕手段１８から出ている排出ダクト２０は、分離手段３０への経路が順番に中断されたリサイクル構成において分配弁５０を介して圧縮手段１４に接続され、同じ大きな塊りの分散物に対して所定の数の連続した剥離サイクルを行うことができる。

Claims

層状物質を剥離するためのシステムであって、
前記システムは、
湿式ジェット粉砕装置（１０）を含み、層状前駆体物質の分散物の大きな塊りに作用する剥離ステーション（１４〜２２）と、
前記剥離ステーション（１４〜２２）の下流に配置され、少なくとも部分的に剥離された物質の分散物の大きな塊りに作用する収集ステーション（３０，４０）を組み合わせて備え、
前記剥離ステーション（１４〜２２）と前記収集ステーション（３０，４０）は、流体調節手段（５０）を挟む流体連通経路（２０）を介して互いに接続され、
前記流体調節手段（５０）は、前記剥離ステーション（１４〜２２）と前記収集ステーション（３０，４０）との間の前記連通経路（２０）が閉鎖される第１動作構成をとるように適合され、前記剥離ステーション（１４〜２２）は、層状前駆体物質の分散物の大きな塊りを所定数の湿式ジェット粉砕サイクルに曝すように適合され、前記収集ステーション（３０，４０）は、粉砕に予め曝され少なくとも部分的に剥離された物質を含む分散物の大きな塊りから剥離された物質の量を抽出するように適合され、前記剥離ステーション（１４〜２２）と前記収集ステーション（３０，４０）との間の前記連通経路（２０）が連続的である第２の動作構成をとるように適合され、前記剥離ステーション（１４〜２２）は、粉砕に予め曝され少なくとも部分的に剥離された物質を含む分散物の大きな塊りを前記収集ステーション（３０，４０）に向かって搬送するように適合され、前記剥離ステーションは、層状前駆体物質の分散物のさらなる大きな塊りが供給されるように、供給チャンバ（１２）に接続されて配置されるシステム。
前記収集ステーションは、遠心分離手段のような沈殿手段を含む、分散相から剥離された物質を分離するための手段（３０）を備える請求項１のシステム。
前記湿式ジェット粉砕装置（１０）は、
供給ダクト（１６）を介して前記供給チャンバ（１２）に接続され、粉砕手段（１８）に向かう第１の圧縮セクションを有するダクト内に前記供給チャンバ（１２）から層状前駆体物質の分散物の所定の大きな塊りを注入するように配置された圧縮手段（１４）と、
前記圧縮手段（１４）の下流に配置され、前記圧縮手段（１４）によって注入された分散物を前記第１の圧縮セクションの断面積より小さい断面積のダクトに案内するように適合された複数の流体経路を含み、これにより、少なくとも１つの衝突セクションに向かって搬送される１つまたは複数の線形ジェットを生成し、前記分散物中の前記層状前駆体物質の自由な移動およびジェット間の衝突が、前記層状前駆体物質の剥離を引き起こす粉砕手段（１８）と、を備える請求項１または２のシステム。
前記流体調節手段（５０）は、供給／排出段階において第１の構成をとるように適合された４方向分配弁を備え、前記供給チャンバ（１２）からの前記供給ダクト（１６）は、前記粉砕装置（１０）の前記圧縮手段（１４）に接続され、前記粉砕手段（１８）から出ている排出ダクト（２０）は、再循環構成で前記圧縮手段（１４）に接続され、前記収集ステーション（３０，４０）に向かう流体連通は閉鎖される第２の構成をとる請求項３のシステム。
前記供給チャンバ（１２）は、前記層状前駆体物質に基づいて選択された所定の分散物相中に層状前駆体物質の分散物を含有するように適合されている請求項１ないし４のうちいずれか１項のシステム。
前記分散物相は、剥離されなければならない前記層状前駆体物質の表面エネルギの不足に近い表面張力を有する請求項５のシステム。
前記分散相は、ハンセン空間における前記層状前駆体物質のハンセン溶解度パラメータに近いハンセン溶解度パラメータを有する請求項５のシステム。
前記分散相のハンセン溶解度パラメータと前記層状前駆体物質のハンセン溶解度パラメータの近接が以下の関係によって表され、
ｒ^２＝（∂_{ＤＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＤＭａｔｅｒｉａｌ}）^２＋（∂_{ＰＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＰＭａｔｅｒｉａｌ}）^２＋
＋（∂_{ＨＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＨＭａｔｅｒｉａｌ}）^２
ここで、∂_ｐは分子間の分子間双極子力からのエネルギ、
∂_Ｄは分子間の分散力からのエネルギ、
∂_Ｈは分子間の水素結合からのエネルギ、または電子交換パラメータ、
ｒは０〜１５ＭＰａ^１／２である、
請求項７のシステム。
層状物質の剥離のための方法であって、
前記方法は、
層状前駆体物質の分散物を提供するステップと、
剥離ステーション（１４〜２２）において、層状前駆体物質の前記分散物の大きな塊りを、所定数の湿式ジェット粉砕サイクルに反復的に曝すステップと、
引き続いて、粉砕に予め曝され、少なくとも部分的に剥離された物質を含む分散物を、取集ステーション（３０，４０）に搬送するステップと、
前記収集ステーション（３０，４０）で搬送された分散物の大きな塊りから剥離された物質を抽出するステップと、を含み、
前記剥離ステーション（１４〜２２）と前記収集ステーション（３０，４０）との間の流体連通は、その間に層状前駆体物質の分散物の大きな塊りが前記剥離ステーション（１４〜２２）で所定の数湿式ジェット粉砕サイクルに曝され、剥離された物質の量が前記収集ステーション（３０，４０）で粉砕に予め曝され少なくとも部分的に剥離された物質を含む分散物の大きな塊りから抽出される、前記連通を閉鎖する第１の動作段階と、粉砕に予め曝され少なくとも部分的に剥離された物質を含む分散物の大きな塊りが剥離ステーション（１４〜２２）から収集ステーション（３０，４０）に向かって搬送され、層状前駆体物質の分散物のさらなる大きな塊りが剥離ステーション（１４〜２２）に供給される、第２の動作段階との間で交互に調節される方法。
前記方法は、遠心分離による沈殿によって分散相から剥離された物質を分離するステップをさらに含む請求項９の方法。
前記湿式ジェット粉砕サイクルは、分散物を案内し１つまたは複数の線形ジェットを生成するように適合された複数の流体経路に、前記層状前駆物質の分散物の所定の大きな塊りの注入を含み、分散物における前記層状前駆体物質の自由な移動およびジェット間の衝突が前記層状前駆物質の剥離を引き起こす請求項９または１０の方法。
前記層状前駆体物質の分散物は、剥離されなければならない前記層状前駆体物質の表面エネルギの不足に近い表面張力を有する、所定の分散相で得られる請求項９ないし１１のうちいずれか１項の方法。
前記層状前駆体物質の分散物は、ハンセン空間における前記層状前駆体物質のハンセン溶解度パラメータに近いハンセン溶解度パラメータを有する、所定の分散相で得られる請求項９ないし１１のうちいずれか１項の方法。
前記分散相のハンセン溶解度パラメータと前記層状前駆体物質のハンセン溶解度パラメータの近接が以下の関係によって表され、
ｒ^２＝（∂_{ＤＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＤＭａｔｅｒｉａｌ}）^２＋（∂_{ＰＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＰＭａｔｅｒｉａｌ}）^２＋
＋（∂_{ＨＳｏｌｖｅｎｔ}−∂_{ＨＭａｔｅｒｉａｌ}）^２
ここで、∂_ｐは分子間の分子間双極子力からのエネルギ、
∂_Ｄは分子間の分散力からのエネルギ、
∂_Ｈは分子間の水素結合からのエネルギ、または電子交換パラメータ、
ｒは０〜１５ＭＰａ^１／２である、
請求項１３の方法。
前記前駆体物質はグラファイトであり、前記分散相はＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、アルコール、非イオン性およびアニオン性界面活性剤を加えた水、アルコールと水との混合物のうちの１つである請求項１２ないし１４のうちいずれか１項の方法。